第7章 高分子材料的热学性能

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1、第7章高分子材料的热学性能本章内容热学性能：包括热容，热膨胀和热传导等。本章讨论热学性能的物理概念、物理本质、影响因素、测量方法及在高分子材料研究中的应用。热容、热膨胀、热传导高聚物的形变-温度曲线高分子材料的耐热性高分子材料的热稳定性热分析在高分子材料研究中的应用材料科学与工程学院27.1热容一、热容的基本概念1、热容在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高1K时所吸收的热量(Q)称做该材料的热容，单位为J/K热容表达式为：QCTTT质量不同热容不同，温度不同热容也不同比热容：

2、单位质量材料的热容（J/(kg.K))摩尔热容：1mol材料的热容(J/(mol.K))材料科学与工程学院3平均比热容：单位质量的材料从温度T到T所吸12收的热量的平均值Q1C均TTm21T~T范围愈大，精度愈差12T无限接近T时21Q1C真Tm材料科学与工程学院4CCpp和和CCvQ1H1比定压热容(Cp)cpTpmTpmQ1E1比定容热容(Cv)cvTvmTpm式中：Q为热量，E为内能，H为焓ccpv2ccV

3、T/pvVm材料科学与工程学院5高分子材料的热容随温度的变化材料科学与工程学院6表7-1一些工程材料的比热容C金属C高聚物陶瓷p,mp,mCp,m氧化铝775铝900聚乙烯2100氧化镁940铁448聚丙烯1880熔融氧化硅740镍443聚苯乙烯1360钙钠玻璃840316不锈钢502聚四氟乙烯1050金属与陶瓷比热容相差不大，高分子材料比热容最高，但由于其熔点较低，故在高温环境中应用有限材料科学与工程学院77.2热膨胀一热膨胀的概念及热膨胀系数热膨胀：物体的体积或长度随温度升高而增大的现象1dL线膨胀系数：

4、LLdT体膨胀系数：1dVVVdT材料科学与工程学院8平均线性膨胀系数LL1L110TTLTL1000平均体膨胀系数1VVVT0材料科学与工程学院9对于各向同性材料，体积膨胀系数α和线膨胀V系数α之间具有如下关系：L1VV3LVTP实际上固体材料的热膨胀系数通常随温度升高而加大材料科学与工程学院10常见工程材料的热膨胀性能金属材料热膨胀系数介于陶瓷和高分子之间，最高的是钾、锌、铅、镁、铝等低熔点金属，最低的是钨、钼、铬等高熔点金属陶瓷材料是热膨胀系

5、数最低的，由于结构复杂热膨胀系数差别很大高分子材料具有最高的热膨胀系数，结晶高聚物和取向高聚物的热膨胀系数具有各向异性材料科学与工程学院11表7-2典型高聚物的热膨胀系数（20℃）线膨胀系数线膨胀系数×105/K-1高聚物×105/K-1高聚物软钢1.1尼龙669.0黄铜1.9聚碳酸酯6.3聚氯乙烯6.6聚甲基丙烯酸甲酯7.6聚苯乙烯6.0~8.0缩醛共聚物8.0聚丙烯11.0天然橡胶22.03.0~7.0低密度聚乙尼龙66+30%玻璃20.0~22.0（与取向有烯纤维关）材料科学与工程学院12热膨胀的物理本质

6、固体的热膨胀与原子的非简谐振动（非线性振动）有关。晶格振动相邻质点间作用力是非线性的原子间作用势能曲线也是不对称的导致温度升高，振动中心平衡位置向右移动，原子间距衡位置向右移动，原子间距增大，产生膨胀材料科学与工程学院13热膨胀与其他性能的关系1热膨胀和热容的关系热膨胀系数与热容密切相关并有着相似的规律材料科学与工程学院142热膨胀和结合能、熔点的关系结合力越强的材料，热膨胀系数越小结合能大的熔点较高，通常熔点高、膨胀系数小格留乃申晶体热膨胀极限方程：T(VV/)VCmTm00V为熔点温度时的

7、体积；V为0K时的体积；Tm0立方和六方金属，C为0.06~0.076材料科学与工程学院15影响材料热膨胀系数的因素1化学成分成分相同的材料，结构不同，热膨胀系数也不同2键强度键强度高的材料，有低的热膨胀系数3晶体结构结构紧密的晶体热膨胀系数都较大，而非晶态结构比较松散的材料，有较小的热膨胀系数材料科学与工程学院167.3热传导一、材料的热传导当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端，这个现象称为热传导dT傅里叶定律：QAtdx它只适用于稳定传热的条件，即ΔQ/Δt是常数λ为导热系数

8、，它的物理意义是指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，单位为J/(m·S·k)。dT/dx为x方向上的温度梯度材料科学与工程学院17对于非稳态热传导，温度随时间变化，物体内单位面积上温度随时间的变化率为2dTdT2dtcdxp热扩散率或导温系数cp材料科学与工程学院18二、热传导的微观机理气体导热——质点间直接碰撞；金属导热——自由电子间碰撞；